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Abschlussbericht 2013 zu IGF-Vorhaben 16777 N - Forschungsinhalte

Einleitung

Die Offshore Windenergieanlagen werden heutzutage weltweit intensiv ausgebaut. Konstruktionen der Art werden aus Feinkornbaustählen an Luft angefertigt, aber falls sie Reparaturtauglich sind, werden die Gründungstrukturen der Windräder aus Kostengrunden unter Wasser im Stand gesetzt. Die geringe Anzahl von Stabelektrodentypen, die derzeitig global zur Verfügung stehen, ist für das nasse UW-Lichtbogenhandschweißen der Feinkornbaustähle, wie S355NL oder S460NL nicht geeignet. Derzeitig zugelassene kommerzielle Stabelektroden finden allerdings Anwendung im Brücken-, Tief- und Hafenbau.

Mit der reproduzierbaren Untersuchung des nassen Lichtbogenprozess unter Wasser und der Entwicklung von Stabelektroden für Tauchtiefen bis zu 60 Meter, sollen effektive Instandhaltungs- und Reparaturkonzepte für WEA-Gründungsstrukturen geschaffen werden.

Hierfür wurde zunächst eine bestehende Druckkammer mit einer selbst entwickelten und elektrisch sowie steuerungstechnisch verkabelten Multiachs-Schweißanlage erweitert. Reproduzierbare Schweißversuche bei definierter Wassertiefe sind ermöglicht worden.

An das nasse Unterwasserschweißen werden aufgrund der Umgebungsbedingungen drei wesentliche Herausforderungen gestellt:

1. Der direkte Kontakt des Lichtbogens mit dem Wasser

Aufgrund der hohen Wärmeenergie des Lichtbogens zwischen Kathode und Anode werden unter derartigen Umgebungsbedingungen Wasser und Kohlendioxid stark zu

2H2O->2H2+O2

2CO2->2CO+O2

dissoziiert. Diese Zersetzungen führen zu einem erhöhten Wasserstoff- und Sauerstoffangebot wobei die Reaktionen umso heftiger verlaufen, je höher die Lichtbogentemperatur ist . Der prozentuelle Anteil des Wasserstoffs beträgt abhängig von Schweißbedingungen in der Gas-Dampf-Blase bis 95 Prozent; der Anteil an Kohlenmonoxid beläuft sich auf ca. 11 bis 24 Prozent, Kohlendioxid ca. 4 bis 6 Prozent, mit Resten an Sauerstoff, Stickstoff und Spuren von Metalldampf. Die Größe und der Inhalt der Gas-Kaverne verändern sich aufgrund Schutzrauch- und Wasserdampfneubildung ständig.

2. Die Einschnürung und Verkürzung des Lichtbogens unter Wasser

Die zunehmende Moleküldichte in der Lichtbogen-Kaverne mit steigendem Umgebungsdruck sowie die Kühlung der Peripheric der Lichtbogensäule, verstärken dessen Einschnürung. Aufgrund des höheren elektrischen Widerstands im Wasser, kommt es somit zum Spannungsabfall beim Schweißen in größeren Tiefen.

Um den Lichtbogen aufrecht zu erhalten, muss der Schweißtaucher die Länge des Bogens verringern. Aus dieser Maßnahme resultiert ein kleines Schmelzbad mit einer ausgeprägten Neigung zur Nahtüberhöhung.

Temperaturverlauf beim Auftragsschweißen an Luft, unter Frisch-wasser und unter Salzwasser
Temperaturverlauf beim Auftragsschweißen an Luft, unter Frisch-wasser und unter Salzwasser

In der folgenden Abbildung sind Stereomikroskopaufnahmen von Auftragsschweißungen dargestellt. Im direkten Vergleich weist die Schweißung unter Wasser eine geringere Nahtbreite bei entsprechender Nahtüberhöhung auf.

Nahtausprägung an einer Auftragsschweißung an Luft und Frischwasser in 0,25m Tiefe
Nahtausprägung an einer Auftragsschweißung an Luft und Frischwasser in 0,25m Tiefe

3. Die rasche Abkühlgeschwindigkeit unter Wasser

Die hohe Abkühlgeschwindigkeit bewirkt eine Aufhärtung der Schweißnaht und die damit verbundene Verschlechterung der Schweißnahtzähigkeit.

Forschungsinhalte

  • Das Ziel ist die reproduzierbare Untersuchung des nassen Elektroden-Handschweißens unter Wasser durch das manuelle und automatisierte Abschweißen von Versuchsstabelektroden in Wassertiefen bis ca. 60 Meter zur Entwicklung effektiver Instandhaltungskonzepte für WEA-Gründungsstrukturen.
  • Entwicklung einer neuen Generation von Zusatzwerkstoffen für Feinkornbaustähle und perlitarme Rohrgüten durch die Anwendung der statistischen Analyse stochastischer Schweißprozessgrößen mittels dem System Analysator Hannover
  • Einstellung und Verbesserung des Nahtgefüges sowie der mechanisch-technologischen Eigenschaften von Unterwasserschweißverbindungen in Tiefen größer 20 Meter

Equipment

Für die systematische Untersuchung von Lichtbogenprozessen beim nassen Elektrodenschweißen unter Wasser in Tiefen größer 20 Meter steht dem Institut für Werkstoffkunde eine Innenüberdruckkammer mit integrierter Multiachs-Schweißanlage zur Verfügung.

Innenüberdruckkammer am UWTH
Innenüberdruckkammer am UWTH

Für reproduzierbare Versuchsschweißungen unter Variation der Wassertiefe wurde eine vollautomatische Multiachs-Schweißanlage entwickelt und konstruiert. Durch die Implementierung dieser Gerätschaften in die genannte unbemannte 30 bar Innenüberdruckkammer mit einem Fassungsvermögen von 10 m³, ist es möglich, entsprechende Schweißszenarien am Unterwassertechnikum Hannover künstlich zu erschaffen. 

Verkabelte Multiachs-Schweißanlage
Verkabelte Multiachs-Schweißanlage

Die Vorteile dieser international einmaligen Versuchskammer liegen auf der Hand: Reproduzierbare Versuchsschweißungen bis 300 Meter Wassertiefe unter Eliminierung des größten Einflussparameters „Mensch“ auf den Schweißprozess. Des Weiteren sind sämtliche Hauptschweißpositionen durchführbar.

Druckkammerversuchsstand beim nassen Schweißen unter Wasser
Druckkammerversuchsstand beim nassen Schweißen unter Wasser

Druckkammerschweißen

Ansprechpartner: Dipl.-Ing. Sven Martin Kussike und Dipl.-Ing. Vitali Hecht-Linowitzki